光耦隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

1、G2-MINI 起機(jī)時(shí)，輸出電壓過(guò)沖問(wèn)題分析3(向博08-1016).doc案例名稱光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及計(jì)算作者姓名作者部門寫作日期聯(lián)系電話關(guān)鍵詞： 光耦 隔離驅(qū)動(dòng) 傳輸比（CTR） If Ic 第 8 頁(yè) 共 8 頁(yè)（案例名稱）經(jīng)驗(yàn)案例【問(wèn)題描述】：1【問(wèn)題分析】1【優(yōu)化方案】3【收獲】3【問(wèn)題描述】：監(jiān)控類產(chǎn)品中中經(jīng)常要用到光耦隔離電路，例如CAN、485，232等通信電路，或者是信號(hào)輸入輸出隔離電路等。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中要根據(jù)光耦的幾個(gè)主要參數(shù)，仔細(xì)計(jì)算光耦原副邊的電路參數(shù)。否則可能導(dǎo)致電路功能異常。下面就某個(gè)市場(chǎng)問(wèn)題展開分析。山東基站的IPLU0006出現(xiàn)如下問(wèn)題，將IPLU0006的串口

2、6（485通道）與智能設(shè)備IPLU1501相連，前置機(jī)中顯示IPLU1501往往通訊正常一段幾分鐘之后，即通訊異常。而將設(shè)備斷電重啟后，通訊正常一段時(shí)間后設(shè)備又會(huì)出現(xiàn)通訊異常，如此反復(fù)。【問(wèn)題分析】對(duì)現(xiàn)場(chǎng)寄回來(lái)的樣機(jī)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)是由于電路設(shè)計(jì)是裕量不足引起。具體分析如下： 下圖為RS485電路中前端的光耦隔離部分，其中紅色選中部分為收發(fā)控制電路部分。CPU發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖驅(qū)動(dòng)后經(jīng)光藕隔離，控制通信芯片的收發(fā)控制端。這里原邊上拉電阻為2kW，副邊上拉電阻為4.7kW。當(dāng)RTS2輸出為低電平時(shí)（0.2V）時(shí)，光耦飽和導(dǎo)通。ADM483的收發(fā)控制段被拉低，收發(fā)控制端一直箝位在低電平而保持為接

3、收狀態(tài)。當(dāng)RTS2輸出為高電平時(shí)（3.3V）時(shí)，光耦斷開，ADM483的收發(fā)控制段被拉高而保持為發(fā)送狀態(tài)。由于485為總線制，總線上可能有多個(gè)智能設(shè)備，所以對(duì)于同一時(shí)刻，總線上只能有一臺(tái)設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，而其他的設(shè)備都處于接收狀態(tài)。對(duì)于485電路缺省狀態(tài)，應(yīng)該為接收狀態(tài)，避免從機(jī)初始化過(guò)程或故障時(shí)，影響總線的正常功能。通過(guò)示波器對(duì)故障樣機(jī)的各個(gè)波形進(jìn)行測(cè)量，首先發(fā)現(xiàn)只有總線AB端只有主設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)出，而從設(shè)備沒有響應(yīng)。檢測(cè)收發(fā)控制端口的波形時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其需要低電平將電路嵌位在接收狀態(tài)時(shí)。該電壓較高接近2V。這會(huì)導(dǎo)致主設(shè)備一直處于發(fā)送狀態(tài)，整個(gè)總線都會(huì)出現(xiàn)通訊異常。說(shuō)明光耦并沒有工作在預(yù)想的飽和狀

4、態(tài)下，而是工作在放大狀態(tài)。設(shè)備斷電一段時(shí)候后重啟能夠正常工作一段時(shí)間，是因?yàn)楣怦畹膫鬏敱仁軠囟鹊挠绊懕容^大。當(dāng)設(shè)備剛剛啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)溫度還不是特別高，所以傳輸比CTR相對(duì)較大。而工作一段時(shí)間后，溫度上來(lái)后，傳輸比CTR下降（經(jīng)過(guò)計(jì)算此時(shí)的光耦傳輸比不到60%），光耦沒法工作在飽和狀態(tài)，副邊電壓升高，電路工作不正常。原有的電路計(jì)算如下：Vce=0.2V, Ic=(5-0.2)/4.7K=1.021mA, If=(3.3-1.2)/2K=1.05mAIf是否滿足要求:Ifx=Ic/CTRmin=1.021mA/100%=1.021mAIf>Ifx按照公司的降額規(guī)范，要審查集電極電壓Vce和集電

5、極的平均電流Icav應(yīng)該滿足75的降額要求。結(jié)論:Pass注: CTRmin=100%與物料品質(zhì)部的同事溝通后，才知道光耦傳輸比雖然宣稱范圍是100%-300%，但其是在溫度為25度，If為5mA時(shí)的結(jié)果。當(dāng)溫度升高，或是If為1mA時(shí)，其傳輸比會(huì)下降很多。其測(cè)量的結(jié)果如下。對(duì)于本次失效的PS2701，高低溫下不同IF 下的CTR 測(cè)量情況如下：正常品：失效樣品：該光耦的datesheet中有如下資料：由上圖可以得出原邊電流If與傳輸比CTR系數(shù)之間的關(guān)系如下If電流傳輸比CTR系數(shù)1mA0.572mA0.773mA0.884mA0.965mA1而光耦會(huì)工作在（-1060攝氏度）下，由Ta-C

6、TR關(guān)系圖可知，10度時(shí)的CTR與25度下的CTR持平，60度時(shí)的CTR時(shí)25度下CTR的0.9倍左右。但是物料品質(zhì)部同事實(shí)測(cè)出的結(jié)果表明卻表明，CTR受溫度的影響遠(yuǎn)不在此。58度時(shí)的CTR只是25度下CTR的0.7倍左右?？梢奀TR受溫度的影響非常大。結(jié)論公司的降額指導(dǎo)書中提到如下兩點(diǎn)：A. 因光耦傳輸常量分散性較大，在電路設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意保證充分的設(shè)計(jì)裕量，一般是在電路設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，取光耦傳輸參量上限值的100和下限值的70分別進(jìn)行電路計(jì)算，要求電路計(jì)算合格。光耦傳輸參量包括有CTR、IFT、tp等。B. 對(duì)于光耦模擬信號(hào)的靜態(tài)工作點(diǎn)IF，一般要求大于1mA。靜態(tài)工作點(diǎn)太低接近死區(qū)，容易帶來(lái)

7、系統(tǒng)溫度特性差，光耦替代性差，電路對(duì)光耦批次性敏感等不良問(wèn)題 ?！緝?yōu)化方案】以后我們?cè)谶M(jìn)行原理圖審查時(shí)，應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)1. 計(jì)算得到的光耦的原邊電流建議大于2mA。2. 計(jì)算時(shí)對(duì)于傳輸比CTR參數(shù)應(yīng)該取下限值的70%進(jìn)行計(jì)算。3. 對(duì)于PS2701系列的光耦，原邊二極管取1.2V壓降。4. 從控制芯片中輸出的低電平電壓取0.2V。按照以上4點(diǎn)對(duì)于上面的電路進(jìn)行計(jì)算，參考如下：該電路為收發(fā)控制電路，光耦必須要有效的工作在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。Vce=0.2V, If=(3.3-1.2-0.2)/2k=0.95mA-原邊電流應(yīng)該大于2mA.Ic=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,Ifx=Ic/

8、CTRmin=1.02mA/（100%×0.7）=1.46mACTR是光耦運(yùn)行的傳輸比，在設(shè)計(jì)中要滿足上限100，下限70的降額要求。If應(yīng)滿足要求: If>Ifx此處不滿足該要求結(jié)論: Fail注: CTRmin=100%更改方案將電阻R618更換為620歐姆，重新計(jì)算：Vce=0.2V, If=(3.3-1.2-0.2)/0.62k=3.06mAIc=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,Ifx=Ic/CTRmin=1.02mA/（100%×0.7）=1.46mACTR是光耦運(yùn)行的傳輸比，在設(shè)計(jì)中要滿足上限100，下限70的降額要求。If應(yīng)滿足要求: If>

9、;Ifx此處滿足該要求結(jié)論: Pass注: CTRmin=100%電路分析當(dāng)TXD輸出為高時(shí)，光耦無(wú)法導(dǎo)通，輸出為高；當(dāng)TXD輸出為低時(shí)，光耦導(dǎo)通，三極管Q52飽和導(dǎo)通，輸出為低。該電路中的光耦為高速光耦，從CPU這邊傳送過(guò)來(lái)的458信號(hào)要經(jīng)過(guò)它傳輸出去。這個(gè)電路算的上經(jīng)典電路，Vce的電壓嵌位在4.3V左右，光耦工作在放大狀態(tài)。當(dāng)總線上的傳輸速率較高時(shí)，能夠達(dá)到較短的上升和下降時(shí)間。1） 導(dǎo)通后保證U58管腳4電壓足夠低，Vce（Q52）=0.2V，則Ic（Q52）=（5V- Vce（Q52）/R512=(5-0.2)/2K=2.4mAIb（Q52）= Ic（Q52）/hFE=2.4/20m

10、A=0.12mA- hFE是三極管的放大倍數(shù)，數(shù)字電路，要保證三極管Q52工作在飽和區(qū)，根據(jù)器件手冊(cè)取最小值20；2） 光耦U58集電極電流Ic（U58）= Ib（Q52）+Vbe（Q52）/R515=0.12mA+0.7V/0.47K=1.609mA3） 期望的光耦輸入電流IFX計(jì)算如下： IFX= Ic（U58）/（CTRMIN*0.7）=1.609mA/（200%*0.7）=1.150mA-CTR是光耦運(yùn)行的傳輸比，在設(shè)計(jì)中要滿足上限100，下限70的降額要求。 4） 計(jì)算實(shí)際的輸入電流IF： IF=（3.3-VF-0.2）/R518=(3.3-1.2-0.2)/0.62=3.065mA

11、 -光耦導(dǎo)通時(shí)，原邊二極管的壓降VF取1.2V，原邊電流應(yīng)該大于2mA. 滿足 If>Ifx結(jié)論：Pass另外：測(cè)試規(guī)范中要求上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf應(yīng)該小于最高波特率下周期的1/8。以最高波特率為19200bps為例，周期為T=52us，因此上升沿tr和下降沿tf應(yīng)該小于6.5us。根據(jù)芯片手冊(cè)得，RL的電阻應(yīng)該200歐姆左右。如上圖中紅色方框選中的電路等效電阻應(yīng)該小于200歐姆。簡(jiǎn)單計(jì)算其等效電路電阻：IC約為If（U58）*（CTRMIN）3.065mARL0.7/3.065mA233歐電路分析：當(dāng)光電耦合器二極管端2腳為高電平時(shí)，光電耦合器不導(dǎo)通，RXD0輸出為高。 當(dāng)光電耦合

12、器二極管端2腳為低電平時(shí)，光電耦合器工作在線性工作區(qū)，三極管Q41發(fā)射結(jié)正偏，飽和導(dǎo)通，集電極輸出為低，即RXD0輸出為低。計(jì)算：1） 導(dǎo)通后保證RXD電壓足夠低，Vce（Q41）=0.2V，則Ic（Q41）=（3.3V- Vce（Q41）/R408=(3.3-0.2)/2K=1.55mAIb（Q41）= Ic（Q41）/hFE=1.55/20mA=0.0755mA- hFE是三極管的放大倍數(shù)，數(shù)字電路，要保證三極管Q41工作在飽和區(qū)，根據(jù)器件手冊(cè)取最小值20；2） 光耦U8集電極電流Ic（U8）= Ib（Q41）+Vbe（Q41）/R407=0.0755mA+0.7V/0.47K=1.654

13、mA3） 期望的光耦輸入電流IFX計(jì)算如下： IFX= Ic（U8）/CTRMIN=1.654mA/（100%*0.7）=2.363mA-CTR是光耦運(yùn)行的傳輸比，在設(shè)計(jì)中要滿足上限100，下限70的降額要求。 4） 計(jì)算實(shí)際的輸入電流IF： U41器件2腳連接在肖特級(jí)二極管D401上，當(dāng)D401導(dǎo)通，壓降最大為0.38V，U41二極管輸入電流為If=(5-1.2-0.38)/750=4.56mA-滿足原邊電流應(yīng)該大于2mA. 滿足 If>Ifx結(jié)論：Pass注: CTRmin=100% 上圖是個(gè)線形光耦使用的典型例子 光耦的工作電流控制在5mA（從5到10mA該光耦工作在線形區(qū)），外接電阻R11 連接在VCC 與壓腔振蕩器VCO 輸入端之間，電阻值的設(shè)定不能使光耦進(jìn)入飽和狀態(tài)，R11=（12V-3.3V）/5mA=1740,選1.8K。光耦MOC8102 的Ctrr(傳輸比)是100%，光耦I(lǐng)d使用考慮裕量選為8mA；流過(guò)光耦LED 的電流值由R20 來(lái)限定，R20=5V-(VU3+VLED)/8mA=138,選120。（Vled取為